北方冬季綠肥適宜種植作物的篩選

趙 秋，張新建，寧曉光

（天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，天津 300192）

0 引言

華北玉米-小麥輪作種植區(qū)由于缺水原因冬小麥種植面積驟減形成耕地冬春季節(jié)性裸露，導(dǎo)致?lián)P塵頻發(fā)、水土流失嚴(yán)重；“重化肥、輕有機(jī)肥”、“重產(chǎn)出，輕投入”生產(chǎn)方式致使現(xiàn)有的耕地質(zhì)量逐年下降。充分利用冬閑田及冬、春自然資源，進(jìn)行冬綠肥栽培，能很好地覆蓋地面，緩和暴風(fēng)雨對土壤的直接侵蝕，減少水、土、肥的流失，改善土壤理化性狀，固氮蓄碳，抑制硝態(tài)氮淋溶，抑制揚(yáng)塵。同時(shí)，冬綠肥種植也是國家實(shí)施“輪作休耕”、“有機(jī)肥替代化肥”、“耕地質(zhì)量提升”等戰(zhàn)略的重要措施[1-3]。國內(nèi)外研究表明：冬綠肥能夠增加地表生物覆蓋，抑制硝態(tài)氮淋溶，增加土壤微生物數(shù)量和活性，增加稻田生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積效應(yīng)[4-9]。鑒于此，在華北春玉米種植區(qū)域引入冬綠肥作物，用以緩解當(dāng)前農(nóng)田環(huán)境與生態(tài)難題，同時(shí)引導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向健康、可持續(xù)方向發(fā)展。生物產(chǎn)量以及物候期是選擇適宜冬綠肥的雙重標(biāo)準(zhǔn)。本試驗(yàn)以天津地區(qū)春玉米單作為研究對象，調(diào)研和試種了一批冬綠肥種質(zhì)資源，經(jīng)過連續(xù)2年引種和測試分析，篩選出天津地區(qū)適宜與春玉米輪作的冬綠肥品種。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)設(shè)置在天津市武清區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新基地進(jìn)行（北緯39°21′、東經(jīng)117°10′、海拔3.6 m）。該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸季風(fēng)氣候，年均降水量為586.1 mm；年平均氣溫11.6℃；全年日照總量2810 h；無霜期203天。試驗(yàn)土壤為潮土，基礎(chǔ)土壤理化指標(biāo)為全氮1.15 g/kg，全磷0.83 g/kg，全鉀19.47 g/kg，有機(jī)質(zhì)18.47 g/kg，堿解氮66.78 mg/kg有效磷21.05 mg/kg，速效鉀241.5 mg/kg，pH 8.10。

1.2 供試作物

參考相關(guān)研究資料收集和引進(jìn)20種冬綠肥作物作為試驗(yàn)材料進(jìn)行冬綠肥與春玉米輪作篩選試驗(yàn)。20種冬綠肥作物包含禾本科作物4種，豆科作物13種，十字花科作物3種，具體作物名稱、拉丁文及科屬介紹見表1。

表1 供試冬綠肥作物

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及生物產(chǎn)量測量

試驗(yàn)設(shè)20個(gè)處理：分別是二月蘭、冬油菜、肥田蘿卜、黑麥、燕麥、黑麥草、大麥、野豆子、小冠花、百脈根、黃花草木樨、白花草木樨、白三葉、紅三葉、毛葉苕子、箭筈豌豆、野豆子、香豆子、豌豆和沙打旺，每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積4 m2，隨機(jī)區(qū)組排列。于2014年和2015年9月中下旬播種，播種量均為45.0 kg/hm2。播種后灌出苗水，按照30 t/hm2噴灌形式灌溉。觀察不同冬綠肥生育期，并記錄出苗、苗期、返青（拔節(jié)）、抽薹期、初花期、盛花期，枯萎期，于次年4月中下旬測量冬綠肥株高、莖粗、葉長、葉寬等農(nóng)藝性狀。作物生長期間不施任何肥料和農(nóng)藥，不灌水。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

測量冬前（12月25日）和翻壓前（4月25日）選取1 m2，采集植株地上的整段標(biāo)本鮮樣在105℃下殺青，70℃烘干稱重，計(jì)算生物產(chǎn)量。

采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量；采用鉬銻抗比色法測定土壤全磷含量；采用凱氏定氮法測定土壤全氮含量；采用NaOH熔融-火焰光度計(jì)法測定土壤全鉀含量；pH用MicroBench pH酸度計(jì)測定；采用碳酸氫鈉浸提-鉬藍(lán)比色法測定土壤有效磷；采用堿解擴(kuò)散法測定土壤堿解氮；采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定土壤速效鉀[10]。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Office 2010進(jìn)行整理，利用SPSS19進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan新復(fù)極差檢驗(yàn)法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬綠肥生物產(chǎn)量及分類

將收集與引進(jìn)的20個(gè)冬綠肥品種資源按照與玉米輪作的時(shí)間進(jìn)行種植和調(diào)查，2年重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，所有參試冬綠肥作物在冬前均可出苗，且生物產(chǎn)量均在1400 kg/hm2以上，第一年和第二年結(jié)果類似。冬綠肥翻壓前生物產(chǎn)量測試結(jié)果顯示第一年有7種冬綠肥作物平均生物產(chǎn)量超過了3000 kg/hm2，分別是十字花科二月蘭和冬油菜，禾本科黑麥和黑麥草，豆科毛葉苕子、白花草木樨和黃花草木樨，而第二年只有4種冬綠肥作物平均生物產(chǎn)量超過了3000 kg/hm2，分別是十字花科二月蘭，禾本科黑麥和黑麥草，豆科毛葉苕子（表2）。按照生物量高低及兩年越冬穩(wěn)定性將參試冬綠肥進(jìn)行分類[4]，可分為4類。第I類是生物產(chǎn)量高（大于3000 kg/hm2），且越冬穩(wěn)定性較好的冬綠肥品種主要有二月蘭、黑麥草、黑麥、毛葉苕子。第II類是生物產(chǎn)量高，但越冬穩(wěn)定性不好的冬綠肥品種主要有冬油菜、白花草木樨、黃花草木樨。第III類是生物產(chǎn)量低（小于3000 kg/hm2），但越冬穩(wěn)定性較好冬綠肥品種主要有小冠花、紫花苜蓿、白三葉、紅三葉和沙打旺。第IV類是生物產(chǎn)量低，不能越冬的冬綠肥品種主要有香豆子、豌豆、箭筈豌豆、野豆子、大麥、百脈根、燕麥和肥田蘿卜（表3）。

表2 連續(xù)2年不同冬綠肥干物質(zhì)生物產(chǎn)量 kg/hm2

表3 冬綠肥耐寒穩(wěn)定性分類

2.2 冬綠肥物候期

對試驗(yàn)篩選出的4種冬綠肥進(jìn)行了物候期調(diào)查（表4）。黑麥和毛葉苕子在播種后3～5天出苗，二月蘭和黑麥草在播種后8～10天出苗。二月蘭物候期較早，初花期在4月初，盛花期在4月中下旬，5月下旬枯萎，全生育期約246天；毛葉苕子初花期在5月初，盛花期在5月中旬，6月下旬枯萎，全生育期約264天；黑麥草拔節(jié)期在4月中旬，孕穗期在5月初，5月中旬抽穗，整個(gè)生育期為249天；黑麥拔節(jié)期在4月中旬，孕穗期在5月初，5月初抽穗，整個(gè)生育期為245天。與春玉米進(jìn)行輪茬，冬綠肥4月中下旬翻壓最適宜，此時(shí)二月蘭正處于盛花期，毛葉苕子正處于初花期，而黑麥和黑麥草處于孕穗期。

表4 冬綠肥作物的物候期

2.3 冬綠肥農(nóng)藝性狀

4種冬綠肥盛花期時(shí)生長狀況存在顯著差異（表5）。毛葉苕子株高顯著高于其他綠肥，其次是黑麥，再次是二月蘭，黑麥和二月蘭的株高差異不顯著，但顯著高于黑麥草，黑麥草最矮；黑麥葉子最長，達(dá)31.2 cm，其次是黑麥草，然后是毛葉苕子，二月蘭葉子最短，葉長在4種綠肥之間存在顯著差異；4種綠肥葉子寬度與葉長相反，其中，二月蘭顯著高于其他3種綠肥，毛葉苕子顯著高于黑麥草和黑麥，而黑麥草和黑麥之間差異不顯著；莖粗表現(xiàn)為黑麥最大，其次是二月蘭，再次為黑麥，最后為毛葉苕子，黑麥和二月蘭之間差異不顯著，兩者顯著高于黑麥和毛葉苕子，黑麥也顯著高于毛葉苕子；根長表現(xiàn)為二月蘭最長，其次是黑麥，然后為毛葉苕子，最短為黑麥，二月蘭和黑麥之間差異不顯著，兩者顯著高于毛葉苕子和黑麥，毛葉苕子又顯著高于黑麥；不同綠肥的含水量差異較大，毛葉苕子含水量最大，顯著高于其他綠肥，其次為二月蘭，顯著高于黑麥，最后為黑麥草，黑麥草和黑麥含水量之間差異不顯著。總之，4種冬綠肥地上部分和根系農(nóng)藝性狀有較大不同，均有各自生長發(fā)育特點(diǎn)。

表5 冬綠肥盛花期的農(nóng)藝性狀

3 討論與結(jié)論

冬綠肥作物有很多種類。圍繞華北地區(qū)冬綠肥-春玉米輪作種植制度來選擇冬綠肥作物要考慮冬閑期、種植時(shí)間、翻壓時(shí)間、種植地點(diǎn)、作物種類、生物量、功能等。綠肥的重要評價(jià)指標(biāo)包括綠肥作物翻壓時(shí)生物產(chǎn)量，一般當(dāng)?shù)剡m宜綠肥作物的標(biāo)準(zhǔn)以生物產(chǎn)量（干物質(zhì)）超過3000 kg/hm2作為目標(biāo)[4]。在本研究中針對20種冬綠肥作物進(jìn)行生物產(chǎn)量及越冬穩(wěn)定性結(jié)果顯示，天津地區(qū)與春玉米進(jìn)行輪作冬綠肥品種有二月蘭、黑麥草、黑麥和毛葉苕子，這幾種作物有較高的生物產(chǎn)量并且越冬性穩(wěn)定（2年平均）。美國中西部地區(qū)采用黑麥和毛葉苕子作為冬綠肥作物較為廣泛，主要與玉米、棉花、大豆、小粒谷物以及小麥進(jìn)行輪作。黑麥作冬綠肥主要是提供地表覆蓋，水土保持功能，吸收種植玉米后土壤中殘留的氮，為大豆或者小麥田保持土壤水分和抑制雜草。毛葉苕子作為冬綠肥是提供大量氮，增加春季地表覆蓋，為玉米提供養(yǎng)分，增加谷物產(chǎn)量，生物產(chǎn)量達(dá)到4400 kg/hm2以上[11-12]。在美國北部冷涼地區(qū)種植黑麥主要作用是覆蓋從而降低侵蝕，以及降低病蟲害發(fā)生，抑制雜草，生物產(chǎn)量5100 kg/hm2以上[13]。中國南方稻區(qū)較多采用傳統(tǒng)紫云英作為冬綠肥，小部分黑麥草、毛葉苕子，主要是利用冬閑田，替代化肥，減少化肥施用、養(yǎng)地等多種用途，生物量均在3600 kg/hm2以上[14-16]。二月蘭近10年來用在華北地區(qū)冬綠肥作物，主要是覆蓋冬春土壤，減少土地裸露，促進(jìn)土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分循環(huán)，生物量在4200 kg/hm2以上[17-20]。

研究結(jié)果證實(shí)，冬油菜、白花草木樨和黃花草木樨2011年冬前和翻壓前均有較高的生物產(chǎn)量，而在2012年3種作物冬前均有較高生物產(chǎn)量，翌年并沒有成功返青，可能由于氣候干燥，雨量偏少或者冬季寒冷等極端氣候原因。在未來的研究中需要進(jìn)一步探討冬油菜、白花草木樨和紅花草木樨不能返青的原因及限制因子，不同品種，極端溫度耐受及持續(xù)時(shí)間以及水分等對其影響機(jī)制，進(jìn)而改進(jìn)農(nóng)藝耕作等措施，從而增加天津地區(qū)與春玉米輪作可利用的冬綠肥品種。

綜上所述，經(jīng)過2年試驗(yàn)引進(jìn)冬綠肥進(jìn)行種植和生物產(chǎn)量測量，從20個(gè)引進(jìn)冬綠肥品種中篩選出天津地區(qū)與春玉米適宜輪作的冬綠肥作物有毛葉苕子、黑麥草、二月蘭、黑麥4個(gè)品種資源，兩年表現(xiàn)為冬前均有較好覆蓋，冬后成功返青，翻壓前生物產(chǎn)量平均在3400 kg/hm2以上。其他的冬綠肥品種還待于繼續(xù)種植與深入觀察。

春玉米在4月末5月初種植，4月末最適宜翻壓時(shí)期，二月蘭處于盛花期，毛葉苕子處于初花期，而黑麥和黑麥草處于孕穗期，這也為本地與其他作物輪作提供了參考。